CN110470220A - 一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法，具体涉及激光应用和机器视觉领域，具体矫正步骤如下：S1、将运动滑台在运动驱动和滑轨组件上的位置坐标设为x，在x轴上选取n个点；S2、将运动滑台驱动至第i个点位置xi，在激光工作面上放置激光敏感材料，发射激光在激光敏感材料上打出可见光斑，用相机拍摄光斑，用图像处理软件捕捉光斑影像的中心，记录光斑影像中心相对于相机图像传感器中心的偏移量S3、对于运动驱动和滑轨组件上的任意一点x，用相邻两个测量点的偏移量做插值计算，其结果作为该点处的偏移量本发明便于确定不同位置处的视觉偏移量补偿函数，有效提高同轴视觉***的精度。

Description

一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法
技术领域
本发明涉及激光应用和机器视觉领域，更具体地说，本发明涉及一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法。
背景技术
采用机器视觉技术对工件进行定位，在激光加工领域中已经得到广泛应用，而同轴视觉可免除工件频繁往返于相机定位工位和激光加工工位，同时对运动机构的精度也没有要求，更加受到青睐。
在同轴视觉***，由于激光器合光镜和相机固定于同一个平台上，激光加工表面上，激光光斑中心点与相机物镜光轴之间的相对位置也是固定的，其偏差量可经试验测量后补偿到视觉定位软件中(是垂直于相机光轴的工作面上的二维向量)，同样的同轴视觉***也可以应用到飞行光路中，在典型的飞行光路中，由相机、相机物镜及合光镜组成的同轴视觉***固定在滑台上，可沿滑轨往复运动，通过调整激光束的45°反射镜和合光镜的位置和角度，使经过该反射镜反射后的激光束平行于滑轨，再经合光镜反射后与相机物镜的光轴重合，由于经过反射镜反射后的激光束无法保证绝对平行于运动机构的滑轨，并且滑轨也无法保证是绝对平直的(直线度品级)，滑台在滑轨上的不同位置处位置偏移量也不同，从而限制了同轴视觉***的精度。
因此需要发明一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法用来确定滑台在滑轨上不同位置处的视觉偏移量补偿函数其中x 是滑台在滑轨上的位置坐标。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法，通过在激光工作面上放置激光敏感材料，发射激光在激光敏感材料上打出可见光斑，用相机拍摄光斑，用图像处理软件捕捉光斑影像的中心，记录光斑影像中心相对于相机图像传感器中心的偏移量，从而获得所有选取点位上的偏移量，同时对于运动驱动和滑轨组件上的任意一点，用相邻两个测量点的偏移量做插值计算，其结果作为该点处的偏移量，从而便于确定滑台在滑轨上不同位置处的视觉偏移量补偿函数，进而有效提高同轴视觉***的精度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法，具体矫正步骤如下：
S1、将运动滑台在运动驱动和滑轨组件上的位置坐标设为x，在 x轴上选取n个点x1,x2…,xn，优选等间距分布；
S2、将运动滑台驱动至第i个点位置xi，其中i＝1,2……,n，在激光工作面上放置激光敏感材料，发射激光在激光敏感材料上打出可见光斑，用相机拍摄光斑，用图像处理软件捕捉光斑影像的中心，记录光斑影像中心相对于相机图像传感器中心的偏移量这样就获得了所有n个选取点位上的偏移量
S3、对于运动驱动和滑轨组件上的任意一点x，用相邻两个测量点的偏移量做插值计算，其结果作为该点处的偏移量具体计算方法和过程如下：
a、通过数值比对确定两个相邻点位xi和xi+1，满足xi<x<xi+1；
b、利用线性插值计算x点的偏移量：
在一个优选地实施方式中，在单轴飞行光路、内同轴激光透射式同轴***、内同轴激光反射式同轴视觉***、外同轴激光透射式同轴视觉***以及外同轴激光反射式同轴视觉***中，具体矫正步骤如下：
a、运动组件的行程为L，从左向右在行程上均匀设置n+1个测量点，其坐标分别为：
b、测量得出每个测量点上的偏移量其中i＝0,1,2…,n，则任意一点x处的偏移量为：
其中：xi<x<xi+1，i＝0,1,2…,n。
在一个优选地实施方式中，在XY方向两轴飞行光路以及三轴***中，具体矫正步骤如下：
a、假定X、Y轴的行程分别是Lx、Ly，分别将其分割成m、n等份，则所设置的测量点为一个二维矩阵：
其中，i＝0，1，2…，m；j＝0，1，2…，n；
b、分别测量给个测量点上的视觉偏移量二维矢量偏移量由X方向上的偏移量Δxij和Y方向上的偏移量Δyij构成；
c、XY平面上任意一点(x，y)处的视觉偏移量用其周边临近的四个测量点(Pi，j、Pi+1，j、Pi，j+1、Pi+1，j+1)的偏移量做双线性插值，其中，(x，y)点处视觉偏移量的X方向分量Δx(x，y)和Y方向分量Δy(x，y)，是(x，y)坐标的函数，其在特定点(x’，y’)邻域内的一阶Taylor展开可表达为：
Δx(x，y)＝A+Bx+Cy+Dxy
(3)
Δy(x，y)＝E+Fx+Gy+Hxy
(4)；
d、分别将四个邻域点Pi，j、Pi+1，j、Pi，j+1、Pi+1，j+1的坐标及其实测视觉偏移量(Δxi，j，Δyi，j)、(Δxi+1，j，Δyi+1，j)、(Δxi，j+1，Δyi，j+1)、(Δxi+1，j+1，Δyi+1，j+1) 带入上述两个展开式(3)、(4)，得两个方程组：
e、求解方程组得到公式(3)、(4)的系数A、B、C、D、E、F、G、 H：
本发明的技术效果和优点：
本发明通过在激光工作面上放置激光敏感材料，发射激光在激光敏感材料上打出可见光斑，用相机拍摄光斑，用图像处理软件捕捉光斑影像的中心，记录光斑影像中心相对于相机图像传感器中心的偏移量，从而获得所有选取点位上的偏移量，同时对于运动驱动和滑轨组件上的任意一点，用相邻两个测量点的偏移量做插值计算，其结果作为该点处的偏移量，从而便于确定滑台在滑轨上不同位置处的视觉偏移量补偿函数，进而有效提高同轴视觉***的精度。
附图说明
图1为典型的飞行光路同轴视觉***图。
图2为典型的同轴视觉***图。
图3为本发明的单轴飞行光路俯视图。
图4为本发明的内同轴激光透射式同轴***图。
图5为本发明的内同轴激光反射式同轴视觉***图。
图6为本发明的外同轴激光透射式同轴视觉***图。
图7为本发明的外同轴激光反射式同轴视觉***图。
图8为本发明的XY二轴飞行光路俯视图。
图9为本发明的任一点及其相邻的测量点图。
图10为本发明的三轴激光加工***中XZ两轴飞行光路图。
附图标记为：1运动滑台、2相机、3相机物镜、4相机物镜光轴、 5合光镜、6激光工作表面、7运动驱动和滑轨组件、8 45°反光镜、 9光学调整架、10激光束、11固定平台、12激光器、13同轴视觉***、14合束镜、15聚焦镜、16X轴运动滑台、17Y轴运动滑台、18 X轴驱动和滑轨组件、19Y轴驱动和滑轨组件、20Z轴驱动和滑轨组件、21Z轴滑台、22第一反光镜、23第二反光镜、24第三反光镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法，具体矫正步骤如下：
S1、将运动滑台1在运动驱动和滑轨组件7上的位置坐标设为x，在x轴上选取n个点x1,x2…,xn，优选等间距分布(以下简称测量点)；
S2、将运动滑台1驱动至第i个点位置xi，其中i＝1,2……, n，在激光工作面6上放置激光敏感材料，发射激光在激光敏感材料上打出可见光斑，用相机2拍摄光斑，用图像处理软件捕捉光斑影像的中心，记录光斑影像中心相对于相机图像传感器中心的偏移量这样就获得了所有n个选取点位上的偏移量
S3、对于运动驱动和滑轨组件7上的任意一点x，用相邻两个测量点的偏移量做插值计算，其结果作为该点处的偏移量具体计算方法和过程如下：
a、通过数值比对确定两个相邻点位xi和xi+1，满足xi<x<xi+1；
b、利用线性插值计算x点的偏移量：
也可以向两边扩展多选几个测量点，用以做高阶插值补偿，由于受视觉捕捉光斑中心位置的精度限制，高阶补偿的意义不大，若需要提高补偿精度，可以通过增加测量点布置密度的方法提高精度。
实施例1：
在单轴飞行光路中，如图3所示，由两个45°反光镜8镜及其光学调整架9，运动驱动和滑轨组件7及其运动滑台1组成，其中左边的45°反光镜8与激光源的相对位置固定，右边的45°反光镜8、同轴视觉***13固定于运动滑台1，通过调整左边的45°反光镜8 使反射光尽可能平行于运动驱动和滑轨组件7，且入射到右边45°反光镜8的中心位置，调整右边的45°反光镜8，使反射光尽可能垂直射入同轴视觉***13，具体矫正步骤如下：
a、运动组件的行程为L，从左向右在行程上均匀设置n+1个测量点，其坐标分别为：
xn＝L；
b、测量得出每个测量点上的偏移量其中i＝0,1,2…,n，则任意一点x处的偏移量为：
其中：xi<x<xi+1，i＝0,1,2…,n，
在内同轴激光透射式同轴***(如图4所示)、内同轴激光反射式同轴视觉***(如图5所示)、外同轴激光透射式同轴视觉***(如图6所示)以及外同轴激光反射式同轴视觉***(如图7所示)中，都适用本实施例的矫正方法。
实施例2：
在XY方向两轴飞行光路中，如图8所示，其中同轴视觉***13 固定连接于X轴运动滑台16，并可沿X轴驱动和滑轨组件18移动， X轴与左边的45°反光镜8固定连接于Y轴运动滑台17，并沿Y轴驱动和滑轨组件19移动，因此激光光路在X、Y两个方向上飞行，视觉偏差将受激光束10分别与X、Y两个轴的平行度的影响，也会受到 X、Y两个轴滑轨的直线度的影响，因此，所选择的测量点也必须是X、 Y两个维度的，具体矫正步骤如下：
a、假定X、Y轴的行程分别是Lx、Ly，分别将其分割成m、n等份，则所设置的测量点为一个二维矩阵：
其中，i＝0,1,2…,m；j＝0,1,2…,n；
b、分别测量给个测量点上的视觉偏移量二维矢量偏移量由X方向上的偏移量Δxij和Y方向上的偏移量Δyij构成；
c、XY平面上任意一点(x,y)处的视觉偏移量用其周边临近的四个测量点(Pi，j、Pi+1，j、Pi，j+1、Pi+1，j+1)的偏移量做双线性插值，其中，(x，y)点处视觉偏移量的X方向分量Δx(x，y)和Y方向分量Δy(x，y)，是(x，y)坐标的函数，其在特定点(x’，y’)邻域内的一阶Taylor展开可表达为：
Δx(x，y)＝A+Bx+Cy+Dxy (3)
Δy(x，y)＝E+Fx+Gy+Hxy (4)；
d、如图9所示，分别将四个邻域点Pi，j、Pi+1，j、Pi，j+1、Pi+1，j+1的坐标及其实测视觉偏移量(Δxi，j，Δyi，j)、(Δxi+1，j，Δyi+1，，j)、(Δxi，j+1，Δyi，j+1)、 (Δxi+1，j+1，Δyi+1，j+1)带入上述两个展开式(3)、(4)，得两个方程组：
e、求解方程组得到公式(3)、(4)的系数A、B、C、D、E、F、G、 H：
(8)。
实施例3：
很多激光加工***需要XYZ三轴运动，通常移轴负载工件运动，不带飞行光路，而飞行光路在另外两个轴上，在常见的三轴***中，如图10所示，其中Y轴负载工件运动，光路沿X轴和Z轴飞行，光路是在两个方向飞行的，可以直接用实施例2中的二维线性插值方法进行校正。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法，其特征在于：具体矫正步骤如下：
S1、将运动滑台在运动驱动和滑轨组件上的位置坐标设为x，在x轴上选取n个点x1,x2…,xn，优选等间距分布；
S2、将运动滑台驱动至第i个点位置xi，其中i＝1,2……,n，在激光工作面上放置激光敏感材料，发射激光在激光敏感材料上打出可见光斑，用相机拍摄光斑，用图像处理软件捕捉光斑影像的中心，记录光斑影像中心相对于相机图像传感器中心的偏移量这样就获得了所有n个选取点位上的偏移量
S3、对于运动驱动和滑轨组件上的任意一点x，用相邻两个测量点的偏移量做插值计算，其结果作为该点处的偏移量具体计算方法和过程如下：
a、通过数值比对确定两个相邻点位xi和xi+1，满足xi<x<xi+1；
b、利用线性插值计算x点的偏移量：
2.根据权利要求1所述的一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法，其特征在于：在单轴飞行光路、内同轴激光透射式同轴***、内同轴激光反射式同轴视觉***、外同轴激光透射式同轴视觉***以及外同轴激光反射式同轴视觉***中，具体矫正步骤如下：
a、运动组件的行程为L，从左向右在行程上均匀设置n+1个测量点，其坐标分别为：
b、测量得出每个测量点上的偏移量其中i＝0，1，2…，n，则任意一点x处的偏移量为：
其中：xi＜x＜xi+1，i＝0，1，2…，n。
3.根据权利要求1所述的一种飞行光路中同轴视觉偏差的数值矫正方法，其特征在于：在XY方向两轴飞行光路以及三轴***中，具体矫正步骤如下：
a、假定X、Y轴的行程分别是Lx、Ly，分别将其分割成m、n等份，则所设置的测量点为一个二维矩阵：
其中，i＝0，1，2…，m；j＝0，1，2…，n；
b、分别测量给个测量点上的视觉偏移量二维矢量偏移量由X方向上的偏移量Δxij和Y方向上的偏移量Δyij构成；
c、XY平面上任意一点(x，y)处的视觉偏移量用其周边临近的四个测量点(Pi，j、Pi+1，j、Pi，j+1、Pi+1，j+1)的偏移量做双线性插值，其中，(x，y)点处视觉偏移量的X方向分量Δx(x，y)和Y方向分量Δy(x，y)，是(x，y)坐标的函数，其在特定点(x’，y’)邻域内的一阶Taylor展开可表达为：
Δx(x，y)＝A+Bx+Cy+Dxy (3)
Δy(x，y)＝E+Fx+Gy+Hxy (4)
d、分别将四个邻域点Pi，j、Pi+1，j、Pi，j+1、Pi+1，j+1的坐标及其实测视觉偏移量(Δxi，j，Δyi，j)、(Δxi+1，j，Δyi+1，j)、(Δxi，j+1，Δyi，j+1)、(Δxi+1，，j+1，Δyi+1，j+1)带入上述两个展开式(3)、(4)，得两个方程组：
e、求解方程组得到公式(3)、(4)的系数A、B、C、D、E、F、G、H：
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